بهبود خواص سایشی و ترشوندگی نانوذرات آلومینا

پژوهشگران دانشگاه سمنان با همکاری دانشگاه مالک اشتر موفق به افزایش خواص سایشی و سختی نانوکامپوزیت‌ها شدند.

پژوهشگران دانشگاه سمنان با همکاری دانشگاه مالک اشتر با انجام یک فرآیند آسیا کاری و تولید یک پودر هیبرید اولیه که شامل نانوذرات آلومینا و همچنین فلزات آلومینیوم و مس هستند، علاوه‌بر بهبود ترشوندگی ذرات آلومینا در مذاب آلومینیوم، درصد الحاق آن در فاز جامد و توزیع نانوذرات، موفق به افزایش خواص سایشی و سختی نانوکامپوزیت‌ها شدند.

یکی از مهمترین چالش‌ها در تولید نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی انتخاب مناسب‌ترین و در دسترس‌ترین روش به منظور تولید انبوه این مواد است. روش ریخته گری، تکنیکی پذیرفته شده است که با وجود معرفی سایر روش‌های تولیدی مشابه همچنان مورد توجه محققان است. مهمترین چالش در ارتباط با این روش تولیدی مربوط به عدم ترشوندگی نانوذرات در مذاب فلزات (همچون آلومینیوم و منیزیم) و در نتیجه عدم الحاق نانوذرات به زمینه فلزی در حال انجماد است. نانوذرات سرامیکی به دلیلی خصوصیات ابعادی و خواص فیزیکی خاصی آنها در حین انجماد کامپوزیت، از فصل مشترک جامد و مذاب پس زده می‌شوند و در ساختار جامد حبس (capture) نخواهند شد. این عامل سبب می‌شود که درصد الحاق نانوذرات سرامیکی به زمینه فلزی با درصد تئوری آن (آنچه که بر اساس محاسبات درحین تولید کامپوزیت تخمین زده می‌شوند) یکسان نباشند. به عبارت دیگر مقدار نانوذراتی که به نحو موثر در حین انجماد وارد زمینه کامپوزیت شده‌اند و نقش فاز تقویت‌کننده را ایفا می‌کنند کمتر از میزان مورد نظر در حین افزودن نانوذرات به مذاب است. در چنین حالتی نانوذرات به آخرین مواضع انجماد پس زده شده و پس از کلوخه شدن می‌توانند سبب افت خواص مکانیکی، همچون خواص کششی شوند.

در تحقیق حاضر با انجام یک فرآیند آسیا کاری و تولید یک پودر هیبرید اولیه که شامل نانوذرات آلومینا و همچنین فلزات آلومینیوم و مس است، ترشوندگی ذرات آلومینا در مذاب آلومینیوم، درصد الحاق آن در فاز جامد و توزیع نانوذرات تأثیر را تحت تأثیر قرار دادند. همچنین با بررسی خواص سایشی و سختی نانوکامپوزیت‌ها به بررسی توزیع نانوذرات در زمینه فلزی پرداخته شده است.

مهندس محمد کربلایی اکبری فارغ التحصیل کارشناسی ارشد مهندسی مواد از دانشگاه سمنان در این باره گفت: «به منظور تولید کامپوزیت از روش ریخته‌گری گردابی استفاده شده است. روش ریخته‌گری گردابی، یکی از تکنیک‌های متداول تولید نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی است که در آن با ایجاد یک جریان گردابی در مذاب فلز امکان اختلاط ذرات سرامیکی در مذاب فراهم می‌آید. در تحقیق حاضر ابتدا نانوذرات الومینا به طور جداگانه با پودر فلزات آلومینیوم و مس آسیا شده‌اند. بدین ترتیب به یک ساختار Core-Shell از پودرهای فلزی و نانوذرات سرامیکی دست یافته‌ایم. در این ساختار پودر فلزات نقش یک هسته فلزی را ایفا میکنند که به‌وسیله‌ی یک پوسته سرامیکی پوشانیده شده‌اند. به منظور ارزیابی تأثیر فرآیند آماده‌سازی پودرها بر نحوه توزیع ذرات در زمینه فلزی، سه نوع پودر به مذاب در حین فرآیند ریخته‌گری افزوده شدند: پودرهای خالص نانوآلومینا، پودرهای هیبرید نانوآلومینا – آلومینیوم و پودرهای هیبرید نانوآلومینا – مس. متغیر دیگر، زمان فرآیند تولید نمونه‌های کامپوزیت در حین فرآیند ریخته‌گری گردابی بوده است. پس از تولید نمونه‌ها کامپوزیت به صورت میله‌های استوانه‌ای و انجام عملیات حرارتی بر روی نمونه ها، تست‌های سختی سنجی، بررسی خواص سایشی و استحکام فشاری بر روی نمونه‌ها انجام شد.»

شماتیک این فرآیند در شکل زیر ارائه شده است:
 

filereader.php?p1=main_387795c86765346ec

می توان نتایج این تحقیق را به شکل مختصر به صورت زیر بیان نمود:

الف: با تأثیر بر ثوابت فیزیکی نانوذرات امکان الحاق بیشتر ذرات سرامیکی به فاز جامد ایجاد شد. نتایج نشان داد که نانوکامپوزیت‌های تولید شده با ذرات هیبرید نانوذره- فلز خواص مطلوب‌ترو با ثبات تری در قیاس با کامپوزیت‌های تقویت شده با نانوذرات سرامیکی خالص دارند. فلز مس در قیاس با فلز آلومینیوم تأثیر بیشتری بر الحاق نانوذرات آلومینا در زمینه آلومینیومی دارد.
ب: با بررسی فرآیند تولید نانوکامپوزیت، به شرایط بهینه برای تولید این مواد با توزیع یکنواخت نانوذرات دست پیدا کردند.
ج: نتایج نشان داد که پس از ریخته شدن مخلوط کامپوزیت در قالب امکان سقوط نانوذرات کلوخه شده در بازه زمانی ریخته شدن مذاب کامپوزیت تا زمان انجماد نهایی آن وجود دارد.
د: بهبود چشمگیر خواص سایشی نانوکامپوزیت‌ها در قیاس با فلز آلومینیوم تقویت نشده.
ی: بهبود خواص استحکامی نانوکامپوزیت‌های زمینه آلومینیومی با انجام یک عملیات حرارتی بر این مواد.

اکبری در مورد کاربرد نتایج این تحقیقات گفت: «صنایع خودروسازی، هوا و فضا، صنایع ریلی، کشتی‌سازی (مجموعه صنایع حمل و نقل) و صنایع نظامی به صورت مستقیم از این محصول کامپوزیتی بهره می‌برند. در صنایع الکترونیک، انتقال و تولید نیروی برق و بسیاری از صنایع که در آن فلزات سبک تقویت شده کاربردهای سازه‌ای دارند، نیز از این مواد پیشرفته استفاده می‌شود.»

نتایج این کار تحقیقاتی که به دست مهندس محمد کربلایی اکبری، دکتر حمید رضا بهاروندی (دانشیار دانشگاه صنعتی مالک اشتر تهران در مجتمع مواد و فن آوری‌های ساخت) و جناب اقای دکتر امید میرزایی (استادیار دانشگاه سمنان در دانشکده مهندسی مواد و متالورژی) صورت گرفته است، در مجله Composites Part B: Engineering (جلد 52، سپتامبر سال2013، صفحات 262–268) منتشرشده است.